3-D печать внутри тела может залатать язвы желудка
Биопечать In vivo также может помочь в лечении грыж и бесплодия
Язвы желудка и другие раны желудка поражают каждого восьмого человека во всем мире, но обычные традиционные методы лечения имеют свои недостатки. Теперь ученые стремятся решить эти проблемы, исследуя новый рубеж в трехмерной печати: депонирование живых клеток непосредственно внутри человеческого тела.
Подобно тому, как трехмерные принтеры устанавливают слои материала для создания структур, биопринтерывыдавливают живые клетки для производства тканей и органов. Долгосрочная мечта для этой концепции заключается в том, что люди находятся в активных списках ожидания донорства органов—почти 70 000 человек только в США по данным некоммерческой организации United Network for Organ Sharing, в один прекрасный день у нее может появиться возможность получить биопечать органа. Хотя способность производить функциональное сердце или почку таким образом, вероятно, лежит на годы вперед, реалистичные краткосрочные цели включают в себя биопечать более простых структур, таких как костные трансплантаты. Однако живые ткани, отпечатанные вне тела, все равно потребовали бы имплантационной хирургии, которая часто включает большие разрезы, которые увеличивают риск инфекции и удлиняют время восстановления.
Что, если бы врачи могли вместо этого печатать клетки непосредственно внутри тела? Идея состояла бы в том, чтобы использовать современные малоинвазивные хирургические методы для введения трехмерных печатных инструментов в пациентов через небольшие разрезы, а затем укладывать новые ткани. Потенциальное применение такой "биопечати in vivo" может включать хирургические сетки для восстановления грыж и пластыри для яичников, чтобы помочь обратить вспять бесплодие.
Большая часть предыдущих исследований по биопечати in vivo была сосредоточена на лечении кожи и других тканей во внешней части тела, поскольку необходимое оборудование обычно слишком велико, чтобы получить доступ к пищеварительному тракту и другим центральным органам без обширной хирургии. В своих попытках лечить поражения желудка менее инвазивно ученые из Китая хотели разработать миниатюрного робота-биопринтера, который мог бы относительно легко проникать в человеческое тело. Исследователи использовали существующие методы для создания ловких электронных устройств, таких как механические пчелы и роботы, вдохновленные тараканами по словам старшего автора исследования Тао Сюя, биоинженера из Университета Цинхуа в Пекине.
Получившийся микроробот имеет ширину всего 30 миллиметров—меньше половины ширины кредитной карты-и может складываться в длину до 43 миллиметров. Оказавшись внутри тела пациента, он разворачивается, чтобы стать длиной 59 миллиметров и может начать биопечать. "Команда создала хитроумные механизмы, которые делают систему компактной при входе в тело, но при этом разворачиваются, чтобы обеспечить большую рабочую зону после того, как она пройдет через плотные ограничения при входе”, - говорит Дэвид Хельцле, инженер-механик из Университета штата Огайо, который не принимал участия в исследовании.
В своих экспериментах исследователи из Китая поместили микроробота на эндоскоп (длинную трубку, которую можно вставить через отверстия в теле) и успешно провели ее через изогнутую трубу в прозрачную пластиковую модель желудка. Там они использовали его для печати гелей, загруженных слизистой оболочкой желудка человека и мышечными клетками желудка (которые были выращены в культуре коммерческой лабораторией) на лабораторной тарелке. Напечатанные клетки оставались жизнеспособными и устойчиво размножались в течение 10 дней. "Это исследование - первая попытка объединить микророботов и биопечать вместе”, - говорит Сюй.
Исследователи говорят, что основные методы лечения поражения желудка включают лекарства, которые могут работать медленно и не всегда очень эффективны; эндоскопическую хирургию, которая может только залечить относительно небольшие раны; и эндоскопически поставляемые спреи, которые останавливают кровотечение, но мало помогают в полном заживлении более крупной травмы. Надежда на биопринтинг in vivo заключается в том, что он может в конечном итоге улучшить эти методы, латая повреждения желудка живыми структурами, которые могут их восстановить, говорит Сюй.
Будущие исследования могут уменьшить ширину микроробота до 12 миллиметров и оснастить его камерами и другими датчиками, чтобы помочь ему выполнять более сложные операции, добавляет Сюй. Он и ведущий автор исследования Вэньсян Чжао из Университета Цинхуа подробно описали свои выводы этим летом в биофабрикации.
Сюй и его коллеги отмечают, что гели, которые они использовали в качестве “чернил” для биопечати, были стабильны только при относительном охлаждении. При нормальной температуре тела они были слишком жидкими, чтобы хорошо образовывать структуры. Кроме того, раствор хлорида кальция, который исследователи добавили, чтобы помочь затвердеть гелям, потенциально может повредить человеческому организму. Но другой гель, недавно самостоятельно разработанный Хельцле и его коллегами, может помочь решить эти проблемы: он может сохранять свою форму при температуре тела и может затвердевать при помощи видимого света.
Одна из проблем с биопринтингом заключается в том, как эффективно прикреплять напечатанные клетки к существующим мягким органам и тканям. Хелцле и его коллеги протестировали потенциальное решение, пытаясь "залечить" проколы в текстурно схожих материалах, включая сырые полоски куриной грудки. Во-первых, сопло трехмерного принтера выдавило крошечную ручку био-чернил в прокол, создавая якорь, который мог бы соединить проколотую ткань с биопечатной структурой. Затем они медленно вытащили насадку, волоча за собой нить материала, который они могли использовать, чтобы положить больше клеток на внешнюю сторону ткани. “Эта работа очень поучительна, - говорит Сюй. Использование этих методов, добавляет он, поможет дальнейшему развитию биопечати in vivo.
Хельцле предполагает, что технология, скорее всего, никогда не станет способной печатать сложные органы. Вместо этого он может оказаться полезным, дополняя стандартные операции относительно скромными печатными структурами, которые могут высвобождать лекарства, способствующие заживлению или предотвращающие инфекцию. “Есть много возможностей для тканеинженерных материалов ... которые в настоящее время не рассматриваются—потому что никто не хотел бы открывать пациента для доставки материала”, - говорит Хельцле.